樊啟祥，陸佑楣，2，周紹武，楊 寧，林恩德，李 果

（1.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司，北京 100038；2.中國(guó)工程院，北京 100088；3.武漢英思工程科技股份有限公司，湖北 武漢 430071）

1 研究背景

大型水電工程的質(zhì)量安全關(guān)涉國(guó)計(jì)民生，攸關(guān)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)大局。為保障工程全生命期安全，水電建設(shè)者一直在探索更好的筑壩技術(shù)和更有效的管理方法。隨著時(shí)代進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展，水電工程在歷來注重生態(tài)環(huán)境、水庫(kù)移民以及工程技術(shù)和管理創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，呈現(xiàn)出利用當(dāng)代最新科學(xué)技術(shù)和管理理論方法，有效應(yīng)對(duì)工程變化，實(shí)時(shí)主動(dòng)掌握工程建設(shè)主動(dòng)權(quán)，來更好地實(shí)現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、高效建設(shè)的目標(biāo)。

水電工程建設(shè)技術(shù)方法手段的發(fā)展歷程，大致可分為4個(gè)階段:（1）人工化階段。基本靠肩挑手扛，靠人工計(jì)算和繪圖，進(jìn)行人工統(tǒng)計(jì)分析。（2）機(jī)械化與計(jì)算機(jī)化階段。主要采用大容量、高效率的施工機(jī)械裝備進(jìn)行工程建設(shè)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)計(jì)算和進(jìn)度分析，如二灘拱壩和三峽重力壩普遍使用纜式起重機(jī)、塔機(jī)、胎帶機(jī)和塔帶機(jī)［1］。（3）數(shù)字仿真和信息化階段。在機(jī)械化的基礎(chǔ)上，廣泛利用計(jì)算機(jī)和信息系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和管理，以數(shù)字仿真為主開展工程結(jié)構(gòu)安全分析驗(yàn)證，運(yùn)用關(guān)鍵路線法CPM、計(jì)劃評(píng)審技術(shù)PERT、圖示評(píng)審技術(shù)GERT和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)審技術(shù)VERT，利用計(jì)算機(jī)開展工程進(jìn)度計(jì)劃綜合分析，代替人工計(jì)算［2］；構(gòu)建進(jìn)度計(jì)劃、合同、質(zhì)量、設(shè)計(jì)等項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)，如三峽工TGPMS［3-4］；將信息采集與數(shù)值仿真、施工過程仿真、施工工藝控制等融合，朱伯芳［5］提出動(dòng)態(tài)跟蹤反演施工期大壩真實(shí)工作性態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與仿真分析同步；黃聲享等［6］、馬洪琪等［7］、鐘登華等［8-9］、燕喬等［10］等分別在堆石壩、心墻壩以及碾壓混凝土壩的碾壓施工工藝數(shù)字化控制方面實(shí)現(xiàn)系列突破；樊啟祥等［11］、陸佑楣等［12］等依托溪洛渡300 m級(jí)高拱壩，建立面向施工過程控制的涵蓋混凝土施工、溫控、灌漿和金屬結(jié)構(gòu)等的數(shù)字化管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)施工過程精細(xì)化管理；施工進(jìn)度仿真則由單一的用信息化手段編制工程進(jìn)度計(jì)劃、用數(shù)字分析軟件規(guī)劃工程進(jìn)度，轉(zhuǎn)向面向現(xiàn)場(chǎng)施工條件的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真分析與預(yù)測(cè)［13］。（4）智能建造階段。鐘登華等［14］在數(shù)字大壩的基礎(chǔ)上提出智慧大壩的概念、基本架構(gòu)、理論體系和重點(diǎn)研究方向，李慶斌等［15］提出了智能大壩的定義并論述其基本特征、構(gòu)成和建設(shè)模式，樊啟祥等［16］圍繞“全面感知、真實(shí)分析、實(shí)時(shí)控制”的閉環(huán)智能控制理論，以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)仿真分析一體化、施工管理和預(yù)警控制在線化、關(guān)鍵工藝過程智能化的控制為核心，集智能化建壩技術(shù)［17-19］和管理模式［20-22］為一體，實(shí)現(xiàn)大型水電工程優(yōu)質(zhì)高效建造。

在從攀枝花到宜賓長(zhǎng)782 km的川滇之交的金沙江下游河段，建設(shè)有烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩等4座千萬千瓦級(jí)的梯級(jí)巨型水電站。這些電站位于深山峽谷地區(qū)和高地震烈度區(qū)，水文、地質(zhì)、地形條件復(fù)雜，具有300 m級(jí)高拱壩、500 m級(jí)高邊坡、8級(jí)高地震烈度、近50 m/s高流速及大泄量、大單機(jī)容量、大地下廠房洞室群的“四高三大”工程特點(diǎn)，多項(xiàng)單項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)位于世界前列，綜合技術(shù)難度前所未有。

面對(duì)金沙江下游大型水電工程建設(shè)環(huán)境復(fù)雜、條件變化、資源流動(dòng)、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換、性態(tài)調(diào)整等技術(shù)與管理挑戰(zhàn)，三峽集團(tuán)遵循大型水電工程“規(guī)范、有序、協(xié)調(diào)、健康”的建設(shè)理念，致力于水電工程智能建造技術(shù)與管理體系的建設(shè)，以智能建造閉環(huán)控制理論為基礎(chǔ)，以工程結(jié)構(gòu)真實(shí)工作性態(tài)的安全為目標(biāo)，通過產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新現(xiàn)代壩工技術(shù)，并與當(dāng)代通訊技術(shù)、信息技術(shù)及數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)工程建設(shè)中的資源要素、業(yè)務(wù)流程、管理程序、工藝過程、實(shí)物成本、進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析和耦合仿真預(yù)測(cè)，開發(fā)工程建設(shè)全過程數(shù)字化、智能化技術(shù)，構(gòu)建大型水電工程智能建造管理平臺(tái)，大大降低了工程建設(shè)過程中人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、環(huán)境的不安全因素及管理缺陷，使數(shù)據(jù)傳遞更加廣泛快捷，工程決策更加科學(xué)及時(shí)，項(xiàng)目管理水平和效率顯著提升，實(shí)現(xiàn)工程規(guī)劃-建設(shè)-運(yùn)行的全生命期價(jià)值創(chuàng)造。

2 水電工程智能建造技術(shù)體系及其管理平臺(tái)

2.1 金沙江水電工程智能建造技術(shù)體系

2.1.1 智能建造技術(shù)體系總體內(nèi)容 水電工程智能建造面向工程規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行的全生命期，圍繞水電工程建設(shè)質(zhì)量、安全、進(jìn)度、投資、環(huán)保及施工區(qū)管理等六大目標(biāo)，以“全面感知、真實(shí)分析、實(shí)時(shí)控制”的智能閉環(huán)控制理論為基礎(chǔ)，通過統(tǒng)一規(guī)范的工程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分解與編碼體系，構(gòu)建大壩全景信息模型DIM（Dam Information Model），開發(fā)智能建造管理平臺(tái)iDam（Intelligent Dam Analysis Management），在剖析工程結(jié)構(gòu)和建造過程的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了以單元工程及其工序與流程為基礎(chǔ)的建設(shè)過程實(shí)時(shí)管理和調(diào)控系統(tǒng)，形成了面向工程建設(shè)全過程的資源要素?cái)?shù)字化管理、業(yè)務(wù)流程數(shù)字化管控、工藝過程智能化控制、實(shí)物成本精準(zhǔn)化分析以及工程建設(shè)施工進(jìn)度與溫控防裂及結(jié)構(gòu)安全的耦合仿真分析的智能建造技術(shù)體系，依托工程項(xiàng)目管理體系中規(guī)劃與計(jì)劃、技術(shù)與科研、投資與資金、利益相關(guān)者管理、組織機(jī)構(gòu)與人力資源、信息系統(tǒng)、誠(chéng)信文化、溝通協(xié)調(diào)及審計(jì)巡視的保障支持，最終實(shí)現(xiàn)水電工程全生命期真實(shí)工作性態(tài)的可知可控和管理績(jī)效增值。

2.1.2 水電工程大壩全景信息模型DIM 這個(gè)模型既是工程建造活動(dòng)的出發(fā)點(diǎn)，也可以說是建造的結(jié)果。基于統(tǒng)一編碼體系、編碼規(guī)則，對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行整理、轉(zhuǎn)換和矢量化，來構(gòu)建水電工程三維結(jié)構(gòu)模型，如隨工程進(jìn)展不斷深化，形成大壩整壩、分壩段、分壩塊的工程結(jié)構(gòu)模型及單元深化設(shè)計(jì)模型，最終細(xì)化到混凝土坯層、每根鋼筋、冷卻水管與止水片等；基于GIS，形成工程場(chǎng)址三維工程原始地形地貌；基于工程規(guī)劃和設(shè)計(jì)各階段的地質(zhì)探洞、鉆孔、地質(zhì)調(diào)查和力學(xué)試驗(yàn)等各方面的地質(zhì)勘查成果，構(gòu)建工程場(chǎng)址的三維工程地質(zhì)模型，包括工程物探鉆孔信息與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，地形、地層、巖性、結(jié)構(gòu)面等三維地質(zhì)建模成果及基礎(chǔ)巖體的熱學(xué)、力學(xué)參數(shù)信息等；把三維結(jié)構(gòu)、地形、地質(zhì)模型疊加構(gòu)成工程三維全景模型。以三維全景模型為基本信息載體，加載專業(yè)、時(shí)間、特性、屬性等多維度定性定量信息，并動(dòng)態(tài)融合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，集成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、施工過程、資源投入、試驗(yàn)檢測(cè)、質(zhì)檢信息、實(shí)物成本、監(jiān)測(cè)資料、文檔資料及多媒體信息，形成基于最小單元信息模型的DIM數(shù)據(jù)中心。這個(gè)模型展現(xiàn)了工程初始設(shè)計(jì)狀態(tài)、建設(shè)過程動(dòng)態(tài)發(fā)展?fàn)顟B(tài)和建成后的竣工狀態(tài)，可以滿足工程建設(shè)精準(zhǔn)工程量計(jì)算與實(shí)物成本計(jì)量、進(jìn)度仿真與結(jié)構(gòu)數(shù)值分析、監(jiān)測(cè)物理場(chǎng)擬合以及建設(shè)期4D模擬與形象展示等應(yīng)用需求，反映了數(shù)字工程向?qū)嶓w工程的轉(zhuǎn)變過程，形成數(shù)據(jù)資產(chǎn)。

2.1.3 資源要素流動(dòng)管理技術(shù) 資源要素包括人、設(shè)備、材料等，以綜合定位技術(shù)為基礎(chǔ)，面向作業(yè)人員達(dá)標(biāo)準(zhǔn)入與人員、設(shè)備行為狀態(tài)安全，研發(fā)可穿戴、便攜式和車載式定位終端等，實(shí)現(xiàn)建設(shè)過程作業(yè)人員與物資設(shè)備等資源要素的準(zhǔn)入管理和行動(dòng)軌跡分析。通過位置信息的時(shí)空分布規(guī)律以及時(shí)長(zhǎng)與消耗規(guī)律，實(shí)現(xiàn)人員和設(shè)備行為的智能識(shí)別，動(dòng)態(tài)判斷人員履職履責(zé)行為或設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)違規(guī)與否。通過資源流動(dòng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)管理，在合法性、合規(guī)性以及工程建設(shè)活動(dòng)業(yè)務(wù)資格資質(zhì)與工點(diǎn)崗位的匹配性上，消除人、機(jī)、料、法、環(huán)的變化帶來的不確定性，消除隱患保證施工安全。

2.1.4 業(yè)務(wù)流程數(shù)字化管理技術(shù) 以規(guī)范化、格式化、標(biāo)準(zhǔn)化業(yè)務(wù)流程及其表格系統(tǒng)、定位技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)為基礎(chǔ)，面向單元工程質(zhì)量驗(yàn)收和安全隱患排查治理，借助移動(dòng)端如手機(jī)、PAD和定位技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線動(dòng)態(tài)管理，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程和管理程序的“實(shí)時(shí)、實(shí)地、實(shí)人、實(shí)據(jù)、實(shí)物”管控，確?，F(xiàn)場(chǎng)一線管理活動(dòng)記錄和資料的完整性、真實(shí)性、有效性、可追溯性，提高流程的過程質(zhì)量和履約能力。

2.1.5 工藝過程智能化控制技術(shù) 以施工工藝過程精細(xì)管理為主線，對(duì)施工過程（如基坑開挖、混凝土澆筑、混凝土溫控、固結(jié)灌漿、帷幕灌漿、金屬結(jié)構(gòu)制作與安裝、接縫灌漿、回填灌漿、接觸灌漿等）和技術(shù)服務(wù)（如試驗(yàn)檢測(cè)、安全監(jiān)測(cè)、測(cè)量管理等）的各工序數(shù)據(jù)進(jìn)行全面采集、集成分析與展示應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工藝過程如混凝土通水冷卻過程、水泥灌漿工藝過程的智能控制，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)鏈、各工序一條龍的智能優(yōu)化分析，從而對(duì)其中某一環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)控，增強(qiáng)工藝過程的控制能力。

2.1.6 實(shí)物成本定量化控制技術(shù) 以單元工程或工序?yàn)檠芯繉?duì)象，采用移動(dòng)互聯(lián)、GPS/北斗定位和數(shù)據(jù)集成等技術(shù)，對(duì)人工投入及其時(shí)效，對(duì)材料設(shè)備等的實(shí)物直接投入，以及資源要素的過程變化，進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)地量化管理，實(shí)現(xiàn)時(shí)空環(huán)境下人力資源、設(shè)備動(dòng)態(tài)、物資運(yùn)輸?shù)脑诰€實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度和交互管理，通過定制式的單元工程如混凝土倉(cāng)號(hào)的備倉(cāng)、澆筑和養(yǎng)護(hù)的全過程管理，結(jié)合單元實(shí)物工程量和建設(shè)過程單倉(cāng)/各工序資源消耗量，最終達(dá)到資源消耗優(yōu)化、成本分析優(yōu)化的協(xié)同管理，消除浪費(fèi)，降低成本。

2.1.7 結(jié)構(gòu)安全與工程進(jìn)度耦合仿真分析 在確保結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，通過分析、預(yù)測(cè)、對(duì)比、調(diào)控，實(shí)現(xiàn)環(huán)境場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及不同施工進(jìn)度方案的優(yōu)化，在結(jié)構(gòu)安全、資源配置和建設(shè)目標(biāo)之間找到可靠、經(jīng)濟(jì)、安全的建設(shè)計(jì)劃。如高拱壩智能化建設(shè)，要研究全壩全過程工作性態(tài)仿真分析方法、多維約束條件下進(jìn)度耦合分析技術(shù)、澆筑形態(tài)控制策略，開展多場(chǎng)耦合進(jìn)度的工作性態(tài)跟蹤仿真，分析壩體澆筑過程、灌漿前后、蓄水前后、水位抬升前后壩體-基礎(chǔ)變形和應(yīng)力、應(yīng)變、滲流等調(diào)整過程，實(shí)時(shí)、在線精確掌握壩體-基礎(chǔ)的運(yùn)行狀態(tài)和變化規(guī)律，并對(duì)工程短期、中期和長(zhǎng)期工作性態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，與同類工程進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而采取針對(duì)性的調(diào)控措施。

2.1.8 智能建造管理平臺(tái)iDam 水電工程智能建造技術(shù)體系集中體現(xiàn)在智能建造管理平臺(tái)iDam以及集成在其中的工程建設(shè)數(shù)字化和智能化技術(shù)。iDam是一個(gè)產(chǎn)學(xué)研用集成協(xié)同的共享工作平臺(tái)，其業(yè)務(wù)模塊與協(xié)同工作關(guān)系如圖1所示。iDam2.0在溪洛渡拱壩智能化平臺(tái)iDam1.0［21］的基礎(chǔ)上進(jìn)行了全面的架構(gòu)與技術(shù)升級(jí)，其中核心業(yè)務(wù)模塊在混凝土施工、固結(jié)灌漿、接縫灌漿等的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了單元質(zhì)量驗(yàn)收、試驗(yàn)檢測(cè)及開挖支護(hù)等；對(duì)關(guān)鍵工藝過程實(shí)現(xiàn)智能控制，內(nèi)嵌仿真分析等專業(yè)軟件，實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)緊密結(jié)合的科研技術(shù)體系，滿足水電工程全專業(yè)、全過程的數(shù)字化、智能化管理要求。iDam實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)科研設(shè)計(jì)跨單位、跨組織、跨標(biāo)段的一體化協(xié)同工作，解決了建設(shè)過程多階段、多專業(yè)、多履約主體的流程、工藝和績(jī)效管理問題。其提供的數(shù)字化、智能化技術(shù)及其解決方案，實(shí)現(xiàn)核心工藝過程的智能調(diào)控，通過單項(xiàng)目與多項(xiàng)目工程數(shù)據(jù)的智能分析來實(shí)現(xiàn)管理增值，體現(xiàn)了智能建造管理理論、管理內(nèi)容、管理方法及其管理目標(biāo)的統(tǒng)一。

圖1 智能建造管理平臺(tái)iDam的業(yè)務(wù)模塊與協(xié)同工作關(guān)系

2.2 金沙江水電工程智能建造門戶組成水電工程智能建造門戶集中體現(xiàn)了智能建造技術(shù)體系組成及智能建造管理理論和邏輯關(guān)系，組成如圖2所示。

圖2 金沙江下游大型水電工程智能建造門戶架構(gòu)

中間部分即A區(qū)包含了三方面內(nèi)容，核心部位是其智能管理閉環(huán)控制理論及其數(shù)據(jù)中心DIM和管理平臺(tái)iDam的集成模型，體現(xiàn)了“全面感知、真實(shí)分析、實(shí)時(shí)控制”智能控制管理及全生命期、多工程項(xiàng)目的管理理念；i-工程主要反映智能建造管理平臺(tái)當(dāng)前管理的工程名稱，面向多項(xiàng)目管理；i-績(jī)效主要體現(xiàn)在單項(xiàng)目管理績(jī)效以及多工程項(xiàng)目的分析評(píng)價(jià)。

左側(cè)B區(qū)是i-建筑物、i-專業(yè)流程、i-工藝過程，從三個(gè)層面來展現(xiàn)工程建筑物的結(jié)構(gòu)關(guān)系和技術(shù)活動(dòng)。這三層關(guān)系，從上到下是結(jié)構(gòu)分解關(guān)系，從下到上是施工集成關(guān)系，不同的工序工藝過程構(gòu)成了不同的專業(yè)流程，不同的專業(yè)流程組合形成了需要建造的建筑物，智能建造的技術(shù)核心落腳到建造活動(dòng)的基本單元，即單元工程的工序工藝。面向大壩、廠房、溢洪道、邊坡等不同工程建筑物，通過工藝過程、業(yè)務(wù)流程和管理程序，體現(xiàn)了智能建造活動(dòng)與工程結(jié)構(gòu)緊密關(guān)聯(lián)的內(nèi)在關(guān)系。

右側(cè)C區(qū)是智能建造的管理活動(dòng)，由i-要素、i-管理程序、i-支撐體系構(gòu)成。i-要素是要實(shí)現(xiàn)基于位置的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理，如建筑市場(chǎng)管理系統(tǒng)、人員定位及其軌跡系統(tǒng)、物料全程管理系統(tǒng)、物質(zhì)核銷系統(tǒng)等；i-管理程序，由安全、質(zhì)量、成本、進(jìn)度等職能管理程序構(gòu)成，如大壩混凝土單元工程質(zhì)量驗(yàn)收需要履行的施工單位三檢程序和監(jiān)理驗(yàn)收程序，i-支撐系統(tǒng)是金沙江水電工程建設(shè)管理的九大支撐體系［21］，通過科研管理實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新，通過資金流封閉管理實(shí)現(xiàn)工程結(jié)算及工程投融資體系的對(duì)接。

下部區(qū)域即D區(qū)的4類數(shù)據(jù)構(gòu)成了DIM的數(shù)據(jù)組成與來源。

3 水電工程智能建造技術(shù)體系的關(guān)鍵技術(shù)

水電工程智能建造需要遵循“總體規(guī)劃、分部實(shí)施”的開發(fā)理念，從全局角度、頂層設(shè)計(jì)來思考智能建造體系、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)框架和實(shí)施計(jì)劃，通過任務(wù)層層細(xì)化分解，保證設(shè)計(jì)、研發(fā)和試驗(yàn)、應(yīng)用落實(shí)到位。水電工程智能建造的關(guān)鍵技術(shù)首先是工程數(shù)據(jù)即大壩全景信息模型DIM的數(shù)據(jù)編碼體系，第二是工程數(shù)據(jù)感知、傳輸及共享技術(shù)，第三是智能建造管理平臺(tái)iDam系統(tǒng)架構(gòu)，第四是智能建造工程績(jī)效分析。

3.1 工程數(shù)據(jù)編碼體系

3.1.1 工程數(shù)據(jù)編碼體系的作用 統(tǒng)一規(guī)范的工程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與編碼體系是智能建造的基礎(chǔ)。水電工程由承擔(dān)不同功能如擋水、發(fā)電、泄洪的建筑物等組成，建筑物的建造活動(dòng)是專業(yè)流程如開挖、混凝土、灌漿、機(jī)電等的集合，各專業(yè)流程的核心是其面向工序的工藝過程，如混凝土由混凝土材料、拌和、運(yùn)輸、澆筑和溫度控制等組成。每一個(gè)工序組成及其工藝過程是工程建造的基本單元。

統(tǒng)一的工程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分解和屬性編碼構(gòu)成了工程建造活動(dòng)中的基本構(gòu)造單元，如最小單元工程或工序的全景信息。通過建立水電工程結(jié)構(gòu)分解編碼與屬性分類編碼一體的數(shù)據(jù)編碼標(biāo)準(zhǔn)體系，可實(shí)現(xiàn)跨工程、跨組織、跨專業(yè)、跨職能的工程數(shù)據(jù)共享、信息協(xié)同、績(jī)效分析與對(duì)比。智能建造的每一個(gè)工程數(shù)據(jù)都有一個(gè)獨(dú)立的編碼，它由工程結(jié)構(gòu)編碼和屬性編碼兩部分組成。

圖3 智能建造工程數(shù)據(jù)編碼的結(jié)構(gòu)分解編碼體系

3.1.2 工程結(jié)構(gòu)分解編碼 結(jié)構(gòu)編碼具有固定性、唯一性，反映了工程的組成關(guān)系。以《水電工程設(shè)計(jì)概算編制規(guī)定（2013版）》［23］、三峽集團(tuán)《Q/CTG 93-2017水電工程項(xiàng)目概算代碼》和標(biāo)準(zhǔn)化工序流程與專業(yè)管理表格為基礎(chǔ)編制，采用線編碼與面編碼組合編碼方式，總體分為工程代碼、（擴(kuò)大）單位工程、分部工程、分項(xiàng)工程、單元工程、工序六級(jí)編碼。每級(jí)別編碼之間采用“-”隔開，每級(jí)編碼內(nèi)部采用指定類型碼+順序碼組合的方式編碼。工程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分解編碼總體規(guī)則如圖3所示。

表1 工程數(shù)據(jù)編碼的屬性分類及屬性描述

表2 工程數(shù)據(jù)編碼的屬性編碼組成

結(jié)構(gòu)分解編碼體系的設(shè)計(jì)充分考慮了國(guó)家行業(yè)規(guī)范、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及工序格式化編碼體系與表格體系的關(guān)系，并面向了多工程項(xiàng)目的管理需求，面向了同類工程項(xiàng)目橫向?qū)Ρ确治?，以及本工程?xiàng)目縱向?qū)Ρ确治龅男枰?，為工作分解、進(jìn)度計(jì)劃、工藝流程控制、人機(jī)料消耗、簽證結(jié)算、驗(yàn)收歸檔、實(shí)物成本歸集、概算投資控制及工程間橫向?qū)Ρ确治鎏峁┲巍?/p>

3.1.3 工程數(shù)據(jù)屬性編碼 在建造活動(dòng)中，通過對(duì)每一個(gè)結(jié)構(gòu)編碼賦予其相關(guān)屬性，就使結(jié)構(gòu)變得生動(dòng)，從定量到定性給予了每一個(gè)結(jié)構(gòu)的單元工程和工序有了具體的內(nèi)涵，來滿足全生命期工程管理的需求。這些屬性，面對(duì)基礎(chǔ)、環(huán)境、過程、監(jiān)測(cè)等4種數(shù)據(jù)類型，分為9類，包括幾何屬性、位置屬性、材料屬性、階段屬性、合同屬性、時(shí)間屬性、數(shù)據(jù)類型、過程屬性和來源屬性。工程數(shù)據(jù)編碼的屬性分類及其描述具體見表1，工程數(shù)據(jù)編碼中的屬性編碼組成如表2所示。

3.2 工程數(shù)據(jù)感知傳輸及共享技術(shù)iDam以工程數(shù)據(jù)編碼體系為基礎(chǔ)，在工程建設(shè)全過程中獲得工程數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)集成構(gòu)成數(shù)據(jù)中心。工程數(shù)據(jù)的感知傳輸要處理好端、網(wǎng)、云的關(guān)系（見圖4），開發(fā)相應(yīng)的專項(xiàng)技術(shù)。感知采集端，如溫度、應(yīng)力、位置等數(shù)字傳感器以及進(jìn)行流程數(shù)據(jù)采集的移動(dòng)終端，傳感器要滿足水電工程地下作業(yè)、邊坡作業(yè)、壩面作業(yè)的不同精度需要；傳輸網(wǎng)建設(shè)要滿足水電工地復(fù)雜環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間響應(yīng)的要求，利用好公用網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)好專用網(wǎng)絡(luò)；云平臺(tái)即布置在云端的數(shù)據(jù)庫(kù)及智能建造管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)異地多方協(xié)同實(shí)時(shí)工作。多項(xiàng)目建設(shè)單位一般布置遠(yuǎn)程系統(tǒng)，以滿足多項(xiàng)目需求，同時(shí)為現(xiàn)地及異地用戶提供數(shù)據(jù)及應(yīng)用服務(wù)。

圖4 工程數(shù)據(jù)的端、網(wǎng)、云關(guān)系

圖5 基于云平臺(tái)的工程數(shù)據(jù)及其應(yīng)用關(guān)系

以工程數(shù)據(jù)編碼體系為基礎(chǔ)，同時(shí)制定規(guī)范統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)雙向使用的頻度，加上統(tǒng)一的用戶認(rèn)證接口和系統(tǒng)入口（Portal）、統(tǒng)一消息推送機(jī)制和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用接口、以及數(shù)據(jù)共享機(jī)制，保證工程數(shù)據(jù)的唯一性及其在全流程業(yè)務(wù)處理的一致性，實(shí)現(xiàn)智能管理平臺(tái)內(nèi)跨標(biāo)段、跨流程、跨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)權(quán)界定，為工程建造活動(dòng)的專業(yè)模塊、管理模塊、科研模塊及績(jī)效模塊，提供在線、實(shí)時(shí)服務(wù)。產(chǎn)、學(xué)、研、用各方在平臺(tái)上獲取數(shù)據(jù)，也在生產(chǎn)數(shù)據(jù)，形成的階段成果和報(bào)告、使用的參數(shù)模型和網(wǎng)格等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要與相應(yīng)的工程數(shù)據(jù)編碼相匹配，進(jìn)入智能建造管理平臺(tái)，提供及時(shí)的工程服務(wù)?；谠破脚_(tái)的工程數(shù)據(jù)及其應(yīng)用關(guān)系如圖5所示。

3.3 智能建造管理平臺(tái)iDam系統(tǒng)架構(gòu)

3.3.1 STDPA平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu) 基于SARI公共架構(gòu)（Service服務(wù)、Application應(yīng)用、Resource資源、Infrastructure基礎(chǔ)設(shè)施）設(shè)計(jì)［24］，中國(guó)三峽智能建造管理平臺(tái)iDam的系統(tǒng)架構(gòu)由感知層SENSOR、傳輸層TRANSFER、數(shù)據(jù)層DATA、平臺(tái)層PLATFORM、應(yīng)用層APPLICATION以及系統(tǒng)集成接口組成，數(shù)據(jù)層與平臺(tái)層是平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)的核心。iDam的STDPA五層系統(tǒng)架構(gòu)見圖6。

圖6 智能建造iDam系統(tǒng)架構(gòu)STDPA模型

圖7 水電工程智能建造管理平臺(tái)業(yè)務(wù)架構(gòu)及業(yè)務(wù)內(nèi)容

3.3.2 平臺(tái)業(yè)務(wù)架構(gòu) 智能建造管理平臺(tái)是業(yè)務(wù)集成系統(tǒng)，它以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化與虛擬化技術(shù)形成，并以BIM技術(shù)、GIS技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)值仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺、智能視頻識(shí)別技術(shù)及搜索引擎技術(shù)，作為技術(shù)支撐開展各類應(yīng)用服務(wù)。根據(jù)水電工程建設(shè)業(yè)務(wù)特性，水電工程智能建造業(yè)務(wù)架構(gòu)可歸類為“五大業(yè)務(wù)體系”，如圖7。

（1）施工全過程數(shù)字化管理體系，包括骨料生產(chǎn)、混凝土澆筑、混凝土溫控、固結(jié)灌漿、帷幕灌漿、接縫灌漿、開挖支護(hù)和金結(jié)制安等；（2）工程技術(shù)服務(wù)數(shù)字化管理體系，包括試驗(yàn)檢測(cè)、安全監(jiān)測(cè)和工程測(cè)量等；（3）管理流程數(shù)字化管理體系，包括質(zhì)量驗(yàn)收、隱患排查、計(jì)量簽證、資源管理和實(shí)物成本等；（4）科研服務(wù)與生產(chǎn)一體化體系，包括全生命期進(jìn)度、溫控、滲流和應(yīng)力應(yīng)變等仿真分析預(yù)測(cè)；（5）工業(yè)控制自動(dòng)化與智能化生產(chǎn)體系，聚焦核心工藝過程，包括混凝土施工的砂石骨料生產(chǎn)、混凝土拌和、纜機(jī)運(yùn)輸、運(yùn)輸調(diào)度、平倉(cāng)振搗和碾壓施工等，混凝土溫控的骨料預(yù)冷、拌合樓出機(jī)口溫度、澆筑溫度、通水冷卻和噴霧保溫等，以及灌漿施工的制漿、送漿、配漿、灌漿壓力和流量控制等工藝過程，研發(fā)工藝過程智能控制成套裝備，達(dá)到施工全過程在線采集、后臺(tái)處理、智能操作、預(yù)警控制的生產(chǎn)管控模式。

3.3.3 平臺(tái)業(yè)務(wù)協(xié)同方案 智能建造管理平臺(tái)Web應(yīng)用程序，包括業(yè)務(wù)類接口與查詢類接口兩大類，將單一縱向業(yè)務(wù)管理或單個(gè)工藝環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息有機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)全流程、跨專業(yè)、多主體之間業(yè)務(wù)協(xié)同。業(yè)務(wù)類接口，主要用于各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)調(diào)用和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與分析；查詢類接口，主要用于權(quán)限控制下的綜合信息查詢服務(wù)。以仿真分析為例，工程中短期計(jì)劃編制、混凝土溫度預(yù)測(cè)等日常業(yè)務(wù)，可通過接口集成或直接嵌入平臺(tái)的仿真算法組件及程序，直接調(diào)用工程進(jìn)度、監(jiān)測(cè)、環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行在線分析，并將分析成果集成入平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、仿真一體化。統(tǒng)一消息推送機(jī)制，基于預(yù)報(bào)警規(guī)則及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)預(yù)警報(bào)警消息的生成，借助預(yù)報(bào)警引擎、消息推送組件，在桌面、手機(jī)APP、微信等渠道實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一消息發(fā)布、實(shí)時(shí)推送。

3.4 智能建造工程績(jī)效分析智能建造核心是將建設(shè)全過程人、機(jī)、料、法、環(huán)生產(chǎn)環(huán)節(jié)和管理要素互聯(lián)打通，運(yùn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，結(jié)合作業(yè)位置與時(shí)長(zhǎng)、流程各環(huán)節(jié)時(shí)間等信息，動(dòng)態(tài)分析人員與設(shè)備績(jī)效、安全與質(zhì)量行為、計(jì)劃與實(shí)施差異性，變革與優(yōu)化工程管理模式、建設(shè)組織形式、資源配置型式以及業(yè)務(wù)流程和工序過程等。通過研發(fā)感知、傳輸、分析和控制等智能監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵業(yè)務(wù)全流程和核心工藝全環(huán)節(jié)的智能控制，提升工程建設(shè)智能控制能力。

（1）質(zhì)量績(jī)效。智能分析統(tǒng)計(jì)原材料、半成品、成品質(zhì)量合格率，分析引起其質(zhì)量波動(dòng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提高質(zhì)量合格率，降低質(zhì)量控制波動(dòng)性；運(yùn)用智能監(jiān)控終端及智能化控制技術(shù)，智能分析混凝土施工各環(huán)節(jié)消耗時(shí)間及環(huán)節(jié)間有序銜接的制約因素、混凝土溫升規(guī)律和預(yù)警閾值，提升管理效率、降低人為因素、消除管理缺陷；及時(shí)、全面、實(shí)時(shí)掌握工程結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)規(guī)律，構(gòu)建預(yù)控指標(biāo)體系，實(shí)施預(yù)警調(diào)控，確保工程全生命期運(yùn)行安全。

（2）安全績(jī)效。從源頭與過程，準(zhǔn)確識(shí)別人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)，快速發(fā)現(xiàn)隱患、快速流轉(zhuǎn)、及時(shí)閉合，避免各類重大安全事故的發(fā)生；基于統(tǒng)計(jì)分析模型，確定高風(fēng)險(xiǎn)安全隱患，降低安全隱患發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

（3）成本績(jī)效。跟蹤與統(tǒng)計(jì)人、機(jī)、料的實(shí)際投入與真實(shí)消耗，基于最小單元部位分析人工、材料、機(jī)械設(shè)備投入，并與工程概算、企業(yè)定額及合同價(jià)格對(duì)比，從而優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)、資源配置或改進(jìn)施工工藝，設(shè)置激勵(lì)措施，人盡其才、物盡其用，達(dá)到工程成本最優(yōu)。

（4）流程績(jī)效。以工藝過程、業(yè)務(wù)流程和管理程序的數(shù)字化為基礎(chǔ)，監(jiān)控業(yè)務(wù)流程運(yùn)轉(zhuǎn)的每一個(gè)關(guān)聯(lián)點(diǎn)，分析其流轉(zhuǎn)制約因素，構(gòu)建多快好省穩(wěn)的業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)考核體系，疏通建設(shè)過程中業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)經(jīng)絡(luò)，提高流轉(zhuǎn)效率、減低管理成本。

（5）進(jìn)度績(jī)效。持續(xù)優(yōu)化施工組織過程，提出最優(yōu)的施工進(jìn)度方案、最合適的資源配置方案和施工措施，有效協(xié)調(diào)好各專業(yè)間交叉問題，規(guī)避外界環(huán)境影響，避免異常停工，加強(qiáng)變更管理，確保工程有序建設(shè)如期投用。

4 結(jié)論與展望

經(jīng)過近20年的發(fā)展，水電工程建設(shè)已基本形成機(jī)械化、信息化、數(shù)字化為主體的建設(shè)格局，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)與傳感技術(shù)的快速發(fā)展，正朝著智能化方向邁進(jìn)。

本文從工程全生命期安全出發(fā)，運(yùn)用“全面感知、真實(shí)分析、實(shí)時(shí)控制”的智能閉環(huán)控制理論，提出了以工程建設(shè)資源要素動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)管理、業(yè)務(wù)流程數(shù)字化管理、工藝過程智能控制、實(shí)物成本精確分析、結(jié)構(gòu)安全與進(jìn)度耦合分析及聯(lián)動(dòng)調(diào)控的數(shù)字化技術(shù)和智能化技術(shù)為核心，以水電工程數(shù)據(jù)模型如大壩信息模型DIM為基礎(chǔ)，以智能建造管理平臺(tái)iDam為主體的智能建造技術(shù)體系，并對(duì)工程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分解與編碼體系、工程數(shù)據(jù)感知傳輸共享技術(shù)、智能管理平臺(tái)iDam的系統(tǒng)架構(gòu)與業(yè)務(wù)架構(gòu)、智能管理平臺(tái)工程績(jī)效等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。

以智能建造技術(shù)體系為支撐的水電工程智能建造管理平臺(tái)iDam2.0遵循了全面規(guī)劃、分步開發(fā)、圍繞重點(diǎn)、同步應(yīng)用的規(guī)律。在溪洛渡特高拱壩智能化建設(shè)基礎(chǔ)上進(jìn)一步研發(fā)的相關(guān)成果，已在烏東德、白鶴灘水電工程地下廠房和特高拱壩建設(shè)工程中逐步應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)施工工藝過程、關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程的智能監(jiān)測(cè)、智能分析、智能調(diào)控，提升了管理水平和管理效益，促進(jìn)了烏東德和白鶴灘工程“規(guī)范、有序、協(xié)調(diào)、健康”的順利建設(shè)。

大型水電工程智能建造是智能化技術(shù)與智能化管理的深度融合，是堅(jiān)持問題導(dǎo)向和目標(biāo)導(dǎo)向的統(tǒng)一，促進(jìn)質(zhì)量和效益的提升，確保水電工程高壩大庫(kù)長(zhǎng)期安全有效運(yùn)行。

致謝：感謝中國(guó)三峽金沙江大型水電工程智能建造產(chǎn)學(xué)研用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)所做的工作，感謝三峽集團(tuán)、清華大學(xué)、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、天津大學(xué)、英思公司、成都勘測(cè)設(shè)計(jì)院及承擔(dān)工程建設(shè)的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等單位的科學(xué)家和工程師們?yōu)樾纬晒こ讨悄芙ㄔ炱脚_(tái)所做的工作。